C4热泵精馏压缩机选型

2020-11-23陈彪，王辰

石油化工设备技术 2020年6期

陈彪，王辰

(1. 惠生工程(中国)有限公司, 北京 100102； 2. 中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108)

液化石油化工装置的分离单元是整个装置的主要能耗所在。分离过程中最有效的液液分离方法是精馏。为了有效减少装置的能耗，越来越多的精馏选用热泵精馏技术。热泵精馏是利用补偿或消耗机械功，提高精馏塔塔顶的低温热媒品位，并将其作为塔釜再沸器的热源，实现塔顶、塔釜热量的综合利用技术。热泵精馏节能效果与经济效益显著，在丙烷/丙烯【1】、正丁烷/异丁烷【2】等分离体系中有良好的应用。

热泵压缩机是热泵精馏的最核心设备。已有文献大多研究相关工艺，对设备方面的研究较少。本文主要是依托国内某化工装置中混合C4(丁烷和异丁烷)的热泵精馏，对热泵压缩机选型进行分析讨论。

1 项目背景

某装置中采用混合C4及石脑油作为乙烯裂解原料，其中混合C4的主要成分是69%(mol，%)的正丁烷和30%(mol，%)的异丁烷。为了获得更高的经济效益，需要对C4原料进行精馏获得高浓度的正丁烷以及异丁烷，其中正丁烷进入裂解炉裂解产生乙烯，异丁烷外卖作为其他装置的原料。

根据工艺系统的核算，并考虑综合能耗问题，该项目采用了热泵精馏技术，需要把塔顶气(主要是异丁烷，mol含量达到95.5%)由0.3 MPa(绝)压缩至0.78 MPa(绝)，并利用压缩后的热气作为塔底再沸器的热源；换热后的冷凝液经离心泵增压，一部分返回塔顶节流作为塔顶的冷源，剩余部分异丁烷送出界区。该压缩机的其他参数为：气量15 000 m3/h(入口状态)，入口温度20 ℃，采用汽轮机驱动。简易热泵精馏流程见图1。

图1 简易流程

2 热泵压缩机选型

对于以上工艺参数，石油化工行业较常用的压缩机机型有离心式、无油双螺杆式和卧式对称平衡往复式3种，以下分别进行介绍。

2.1 离心式压缩机

2.1.1 机型

离心式压缩机属于透平式压缩机【3】，其通过叶轮的旋转对气体进行做功，增加气体流速的同时，使其压力也有所提高。高速气体在扩压器中将速度能转变成压力能，因此压力升高主要是在扩压器中实现的。

该型式压缩机的设计遵循API 617标准。

其优点为排气量大、结构紧凑、尺寸小、运行平稳可靠、连续运转时间长且噪音小。

缺点为：1)对介质中的固体颗粒及液滴非常敏感；2)存在喘振工况，需要配置一套复杂的防喘振系统；3)调节范围较窄，变转速调节时一般为80%～105%；4)装置在低负荷运行时，需要回流操作(防喘振阀开关实现负荷调节)；5)一次投资成本较高。

2.1.2 选型结果

离心式压缩机可以选用一段四级压缩，水平剖分，叶轮直径520 mm，汽轮机驱动；转速7 536 r/min(汽轮机和压缩机采用联轴器直连)，变转速调节仅能实现在88%～105%操作，更低负荷需要通过防喘振阀实现；轴功率为1 800 kW；排气温度为58 ℃；为检修时不拆卸管路，要采用下进下出的布置，需要设置二层平台。其主要配置包括独立的润滑油站(符合API 614标准)、带中间迷宫的串联干气密封(符合API 614标准)、防喘振阀及防喘振仪表、机组控制系统(CCS，主要包含润滑油系统、干气密封系统、性能调节、防喘振控制及调速等)。

2.2 往复式压缩机

2.2.1 机型

往复式压缩机是一种容积式压缩机【3】，其压缩容积由气缸与活塞组成，由曲柄连杆机构将驱动机的回转运动变为活塞的往复运动。活塞在气缸内作往复运动，在气缸内完成吸气、压缩、排气、膨胀过程。吸、排气阀控制气体进入和排出气缸。曲轴侧的气缸端部设置有填料函，以阻止压缩气外泄。活塞上的活塞环阻止活塞两侧气缸内气体的互相穿泄。

较常用的往复式压缩机有卧式对称平衡型和立式迷宫型两种，其中立式迷宫型多用于低温(如低温乙烯BOG压缩机等)及介质中含有颗粒(如聚乙烯装置中的排放气回收压缩机等)等场合，价格较高，不宜在该装置中应用。往复式压缩机的负荷调节可以通过顶开吸气阀+旁路方式或者余隙调节方式(该方式成本较高)实现。

该型式压缩机的设计遵循API 618标准。

其优点为：1)可实现的压缩比(简称压比)高；2)适用于小气量输送。

缺点为：1)气量不宜过大。2)机构复杂，运动部件多，易损件多；需要设置备机，一次投资较高。3)压缩过程中，气流有脉动，需要设置脉动抑制器并进行脉动核算以降低压缩机上、下游管路的脉动。4)占地大。5)对介质中的液滴非常敏感；卧式机组对介质中的固体颗粒非常敏感。

2.2.2 选型结果

往复式压缩机仅需要一级压缩就可以实现所需的压比；如果采用双一级(机型为2D32)，活塞直径将会超过1 000 mm，机组的加工和装配较困难，国产机组应用业绩较少；如果采用4个气缸压缩，虽然活塞的直径可以降下来(800 mm左右)，但是单台机组的占地将会很大。所以，往复式压缩机在该工况下不宜选用。

2.3 无油双螺杆式压缩机

2.3.1 机型

螺杆压缩机通常是指双螺杆压缩机，是一种回转容积式压缩机【4】。螺杆压缩机在工作时，阴、阳转子与气缸体之间形成腔室，通过转动的方式使腔室容积变小，从而实现对气体的压缩。该机型存在内压比和外压比，其中内压比为转子内腔体容积变小实现的压力比值；外压比为工艺流程所需要的进、排气管路压力比值。

双螺杆压缩机分有油双螺杆压缩机和无油双螺杆压缩机。有油双螺杆压缩机，在压缩机腔内注入润滑油；通过阳转子直接驱动阴转子，润滑油在阴、阳转子间建立油膜，可以起到密封和润滑作用。无油双螺杆压缩机阴、阳转子之间不接触，存在微小的间隙，其传动靠后端的同步齿轮实现。有油双螺杆压缩机负荷调节可以通过滑阀+旁路方式或旁路调节方式实现；由于无油双螺杆压缩机无法安装滑阀机构，因此负荷调节通过旁路方式或变转速+旁路方式实现。

无油双螺杆压缩机又分成干式和喷液两种。干式螺杆压缩机在压缩过程中没有液体内冷却和润滑，其排气温度较高、单级压比小，对轴承和轴封的要求较高。喷液螺杆压缩机是为了降低干式螺杆压缩机的排气温度、提高单级排气压力、向压缩机进气腔喷液的无油双螺杆压缩机；其喷入的介质一般为脱盐水、柴油、压缩机出口凝液或不会污染工艺介质的物料。

基于该项目润滑油会污染工艺介质的特点，不能选用有油双螺杆压缩机；而塔底再沸器中需要利用压缩机出口工艺介质的热量，不宜喷液降低出口温度。所以，该项目仅考虑采用无油干式双螺杆压缩机。

该型式压缩机的设计遵循API 619标准。

其优点为：1)能够适应液滴、粉尘、焦油甚至催化剂颗粒等杂质；2)无喘振工况，变转速调节时调节范围较宽，一般在50%～105%之间；3)投资成本较低。

缺点为：1)存在内、外压比，需要对内、外压比进行严格计算，否则可能会导致过压缩或欠压缩，此时会伴随强烈的周期性排气噪音，严重时可能会引起机组振动；2)如果采用非变转速电动机驱动，仅能通过旁路方式实现负荷调节，压缩机一直处在满负荷状态，能耗浪费较大；3)该机型噪音较高，需要设置进/排气消音器，如有必要应设置隔音罩。

2.3.2 选型结果

无油干式双螺杆压缩机所选机型的转子直径为510 mm，汽轮机驱动；压缩机转速为2 760 r/min(汽轮机转速较高，在10 000 r/min左右，需要在汽轮机和压缩机之间设置减速箱以达到压缩机转速)，变转速调节可以实现50%～105%操作，更低的负荷需要通过旁路阀实现；轴功率为 1 690 kW；出口温度为57 ℃。其主要配置包括独立的润滑油站(符合API 614标准)、带中间迷宫的串联干气密封(符合API 614标准)、机组控制系统(CCS，主要包含润滑油系统、干气密封系统、回流控制及调速等)。该机型可以实现上进上出、地面布置，可以减少压缩机厂房的设置。

3 气体等熵压缩特性分析

精馏单元所处理的气体分子量较大，在压缩的过程中可能存在液化现象。在用的大多数热泵压缩机无法适应带液问题，因此需要对气体等熵压缩特性进行分析。为方便比较，本文选取3种典型的轻烃进行分析，分别为：丙烷、正丁烷(正丁烷和异丁烷物性相近)和正戊烷。在常压0.101 MPa(绝)和对应饱和温度的状态下，随着分子量的增加，气体的非理想性增大。为此，本文借助化工过程模拟软件SIMSCI PROII进行实际气体的计算。所采用的热力学方法为适用于轻烃的SRK状态方程。

模拟所得的结果见图2～图5。

图2 丙烷绝热压缩温度与饱和温度的关系

图3 正丁烷绝热压缩温度与饱和温度的关系

图4 正戊烷绝热压缩温度与饱和温度的关系

由图2可以看出：丙烷在绝热压缩过程中，压缩后的温度始终大于对应压比下的饱和温度，因此压缩过程中不存在液化现象。由图3和图4可以发现：正丁烷和正戊烷从饱和状态开始压缩时，随着压比的增大，压缩后的温度与对应压力下的饱和温度完全重合，因此压缩过程存在液化现象。图5则更直观地反映出：从丙烷至正戊烷，在相同压比下，随着分子量的增大，绝热压缩产生的液化率随之增大；且压比越大，液化率越高。

图5 不同压缩比下绝热压缩液化率

分析不同气体压缩液化特性，不仅能够了解压缩过程中的物理变化过程，更有利于指导压缩机类型的选择。常规的往复式压缩机和离心式压缩机受机型结构的限制，较难适应气体中的液滴。因此，在饱和C4及以上的重烃气体压缩时，需要选用能耐受液滴的压缩机类型，如螺杆压缩机；或者将气体在压缩机的入口进行一定程度的过热，使其压缩后的温度超过对应压力的饱和温度，避免液滴对压缩机造成损害。但这将使气体实际体积流量增大，从而导致压缩机功耗增加且需要增大机型。此外，压缩机的效率越高，其压缩后的液化现象越明显，因此，对于不耐受液滴的压缩机而言，效率越高，液体损害压缩机的可能性越大。如果选用离心式压缩机，应牺牲部分效率，减少压缩液化所带来的影响。